概念對映與影象識別相結合的科學探究課程學習方法

(An integrated concept mapping and image recognition approach to improving students' scientific inquiry course performance)

該資料模擬再次用到了△效應量：科恩值d與偏Eta平方η²

★★實驗結果三維度分析(除學習成績外)：

學習態度：測試兩組學生是否願意搜尋與學習內容相關的補充資料，並能自覺認識到學習課程內容價值的能力。

[在該研究中，將概念圖整合到基於IR的學習情境中，使學生能夠利用IR應用在探究過程中組織學習到的概念，幫助他們感知學習內容的價值

學習內在動機：測試願不願意學習“植物識別”單元的《綠色生活》或學習的意願程度(其重點在於：學生需要認識到整合概念對映和影象識別方法對他們自身學習有好處)

[研究結果：

1.整合概念對映和影象識別方法能夠讓學生學習的內驅力得以提高；

2.而對於學生的外在動機無顯著性影響→實驗組的整合概念對映和影象識別方法and對照組在沒有概念圖條件下使用IR軟體學習兩種方法不受外在環境或是獎勵的影響]

認知負荷：測試學生在工作記憶中投入使用的注意力或者精神力總量多少。在該研究中，主要指學生在學習《綠色生活》課程投入的專注度，總量過高過低都多少會對學習該課程造成影響。

[實驗結果表明：實驗組的精神負荷相較於對照組學生來說過高，而兩組學生的心理努力無顯著性差異→使用整合概念對映和影象識別方法的實驗組學生感受到了學習該課程的一定壓力，但總體可控

一、摘要提取

研究物件：臺灣北部的兩個十年級班的學生，每個班22人，共44人被隨機分為實驗組和對照組。實驗組利用IR app採集校園植物資訊，分析植物特徵，生成植物分類概念圖；對照組在沒有概念圖的情況下學習使用IR app。所有學生均由具有5年以上教學經驗的生物教師授課(控制變數)。

研究目的：本研究提出了一種整合概念對映和影象識別(IR)的方法，以幫助學生在科學探究過程中有效地獲取和組織知識。本研究採用準實驗設計驗證所提方法的效果。

實驗結果：採用CM- IR學習方法的學生在學習成績、學習態度和學習內在動機方面優於傳統IR學習方法的學生，在學習心理負荷方面優於傳統IR學習方法的學生。

二、研究問題

(一) 在科學課程中，使用CM- IR學習方法學習的學生是否比使用傳統的基於IR的學習方法學習的學生表現出更好的學習成績?

(二) 在科學課程中，使用CM- IR學習方法學習的學生是否比使用傳統基於IR的學習方法學習的學生表現出更好的學習態度?

(三) 在科學課程中，使用CM- IR學習方法學習的學生是否比使用傳統基於IR的學習方法學習的學生表現出更高的學習動機?

(四) 在科學課程中，使用CM- IR學習方法學習的學生是否比使用傳統的基於IR的學習方法學習的學生表現出更高的認知負荷?

三、研究設計

（一）實驗物件

同摘要研究物件。

（二）實驗過程

圖1 實驗過程

四、研究結果

（一）學習成績

  前測成績獨立樣本t檢驗為F = 0.09(p=0.669>0.05)，以學生的前測成績為協變數進行單向協方差分析(ANCOVA)來分析學習成績。如表1所示，兩組學生的學習成績差異有統計學意義(F = 26.48, p=0.000<0.001)。實驗組的學習成績優於對照組。實驗組的校正均數和標準差分別為60.63和6.12，對照組的校正均數和標準差分別為48.28和9.18。此外，eta平方(η2)為0.398，表明有較大的效應量。這一結果表明，所提出的CM- IR學習方法對學生的學習成績有較好的積極影響。

表1 學習成績的後測ANCOVA結果

（二）學習態度

  前測學習態度獨立樣本t檢驗為F = 6.38(p=0.521>0.05)，以學生學習態度前問卷得分為協變數，進行單向ANCOVA分析兩組學習態度的差異。如表2所示，兩組學生的學習態度差異有統計學意義(F = 15.92, p=0.000<0.001)。實驗組學習態度得分(調整後平均值= 3.94;Std. error = 0.08)高於對照組(校正平均值= 3.57;誤差= 0.10)。eta平方(η2)為0.29，表明有較大的效應量。結果表明，CM- IR學習方法對學生的學習態度有積極的影響。

表2 學習態度的後測ANCOVA結果

（三）學習動機

    前測內在動機F = 0.17(p=0.804>0.05)，外在動機F = 0.10(p=0.150>0.05)，以學生學習動機得分前問卷為協變數，進行單向ANCOVA，分析兩組學習動機的差異。如表3所示，兩組學生的內在動機差異有統計學意義(F = 13.69, p=0.001<0.05)。實驗組的內在動機(調整平均值= 3.97;Std. error = 0.07)高於對照組(調整後平均值= 3.69;Std. error = 0.07)。eta平方(η²)為0.26，表明有較大的效應量。結果表明，CM- IR學習方法對學生的內在動機有積極的影響。然而，兩組的外在動機並無顯著差異。

前測

後測

表3 不同維度學習動機的單因素方差分析

（四）認知負荷

  採用t檢驗如表4所示，實驗組精神負荷的均值和標準差分別為3.20和0.40，對照組為2.82和0.49。t檢驗結果顯示，兩組精神負荷差異有統計學意義(t =2.80,p=0.008<0.05)，即實驗組精神負荷顯著高於對照組。而實驗組的心理努力的均值和標準差分別為3.16和0.48，對照組的均值和標準差分別為2.97和0.44,t檢驗結果顯示兩組心理努力的差異無統計學意義。

表4 學生認知負荷的t檢驗結果

（五）定性分析

  表5顯示了訪談的分析結果，包括主題、程式碼，以及參考以往研究建議的分析程式，每種訪談被提及的次數。實驗組學生訪談程式碼為ES01 - ES22，對照組學生訪談程式碼為CS023 - CS044。這些訪談旨在瞭解他們對科學探究和IR工具使用的看法。

表5 主題、程式碼和採訪中提到的次數

四、結論與展望

（一）結論

    1.在學習成績方面，即概念對映學習有助於學生有效地將新的學習經驗與之前的知識有組織地聯絡起來，有助於記憶理解學習內容。在教育環境中使用人工智慧，如IR系統，使教師能夠利用這些系統設計新的學習活動，為學生提供以方便和創新的方式學習的機會。在本研究中，紅外系統幫助學生利用紅外技術和線上資料庫識別在現實環境中發現的植物。

    2.在學習態度方面，採用CM- IR學習方法的學生比採用傳統IR學習方法的學生表現出更好的學習態度。訪談結果顯示，與傳統的基於IR的學習相比，CM- IR組的學生更願意搜尋與學習內容相關的補充資料，並認識到學習課程內容的價值。在本研究中，將概念圖整合到基於IR的學習情境中，使學生能夠利用IR應用在探究過程中組織學習到的概念，進而使學生能夠感知他們所學到的概念與他們在現實世界情境中所體驗到的概念之間的關係。這可以幫助他們感知學習內容的價值，從而提升他們的學習態度。

    3.在學習動機方面，採用CM- IR學習方法的學生比採用傳統IR學習方法的學生具有更高的內在動機。訪談結果顯示，與傳統IR組相比，CM- IR組更多的學生表示這種學習方法在“提高觀察能力”、“擴充套件課後學習”和“增強科學探究能力”等方面對他們有好處。在本研究中，將概念對映融入到基於IR的學習情境中，不僅使學生能夠組織他們所觀察和所學到的內容，而且使他們能夠將課本內容與現實生活情境聯絡起來，從而幫助他們感知學習內容的意義。

    4.在認知負荷方面，兩組學生的心理努力評分無顯著差異，說明在基於IR的學習情境中使用概念對映並沒有增加學生的外部負荷。CM- IR組的精神負荷明顯高於常規IR組。由於心理負荷是指學習內容或任務帶來的內在負荷，這一發現意味著，儘管CM- IR組的精神負荷高於常規IR組，但仍可被學生接受。在訪談結果中，CM- IR學生普遍表示該方法的優點為“提高學習體驗”和“改進”“觀察能力”從使他們能夠“走到外面去體驗”、“更仔細地觀察”和“有更深的印象”幾個方面來評價。

（二）展望

    1.侷限性：第一，學習活動時間不夠長。自然觀察能力的培養和概念圖的生成可能需要較長時間才能完成。第二，本研究的樣本群體較小，在推斷結果時也應謹慎考慮，根據小樣本組的實驗結果推斷在其他條件下也可以得到相同的結果可能是不恰當的。

    2.解決對策：未來的研究可以進行縱向研究和擴大樣本量來驗證所提出的方法。此外，還可以採用其他的方法技術，如定性分析，從參與者那裡收集更多的資訊，從不同的角度評估所提出的方法的有效性。